Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Сасскинд Леонард

Когда из системы откачано так много энергии (при температуре абсолютного нуля), физики говорят, что она находится в основном состоянии. Остаточные флуктуации в основном состоянии обычно называют нулевыми колебаниями, однако физик Брайан Грин предложил более яркое разговорное выражение — «квантовая дрожь».

Дрожи подвержены не только положения частиц. Согласно квантовой механике, всё, что может дрожать, дрожит. Другой пример — электрическое и магнитное поля в пустом пространстве. Вибрации электрических и магнитных полей окружают нас со всех сторон, заполняя пространство в виде световых волн. Даже в тёмной комнате электромагнитные поля вибрируют в форме инфракрасных волн, микроволн и радиоволн. Но что, если затемнить комнату, применив все достижения науки и устранив все фотоны? Электрическое и магнитное поля продолжат своё квантовое дрожание. «Пустое» пространство — это бешено вибрирующая, осциллирующая, дрожащая среда, которая никогда не успокаивается.

Ещё до появления квантовой механики было известно о «тепловой дрожи», которая всё заставляет флуктуировать. Например, нагрев газа вызывает усиление случайных движений молекул. Когда же нагрето пустое пространство, оно заполнено дрожащими электрическими и магнитными полями. Это не имеет никакого отношения к квантовой механике и было известно ещё в девятнадцатом веке.

Квантовая и тепловая дрожь кое в чём похожи друг на друга, но не во всём. Тепловая дрожь очень хорошо заметна. Дрожание молекул и электромагнитных полей раздражает ваши нервные окончания и позволяет чувствовать тепло. Оно может быть крайне разрушительным. Например, энергия тепловой дрожи электромагнитных полей может передаваться электронам в атомах. Если температура достаточно высока, электроны могут отрываться от атомов. Эта же энергия может вас сжечь или даже испарить. Напротив, квантовая дрожь, хотя и может быть невероятно энергичной, не способна причинить боль. Она не раздражает нервные окончания и не разрушает атомы. Почему? Она достигает энергии, необходимой для ионизации атома (выбивания из него электронов) или для срабатывания ваших нервных окончаний. Однако из основного состояния невозможно позаимствовать энергию. Квантовая дрожь — это то, что остаётся, когда система находится в состоянии абсолютного энергетического минимума. Так что невероятно сильные квантовые флуктуации не обладают деструктивным эффектом тепловых флуктуаций, поскольку их энергия «недоступна».

Чёрная магия

Для меня самое странное в квантовой механике — это интерференция. Вернёмся к эксперименту с двумя щелями, который я описывал в начале этой главы. В нём три составляющих: источник света, плоский экран с двумя узкими щелями и люминесцентный экран, который вспыхивает, когда на него попадает свет.

Начнём экспериментировать, закрыв левую щель. Результатом будет округлая засветка на экране без всяких деталей. Если снизить яркость источника, то станет видно, что это свечение в действительности складывается из случайно расположенных вспышек, вызванных отдельными фотонами. Вспышки непредсказуемы, но их достаточно много, они складываются в округлое пятно.

Вели открыть левую щель и закрыть правую, рисунок на экране в целом практически не изменится, не считая небольшого сдвига влево.

Сюрприз ждёт нас, когда будут открыты обе щели. Вместо простого наложения фотонов, прошедших через левую и правую щели, с получением более интенсивного округлого пятна без внутренних деталей результатом оказывается полосатый узор наподобие зебры.

Самая странная вещь в этом новом рисунке — наличие в нём тёмных полос, куда не попадают фотоны, несмотря на то что те же области заполнялись вспышками, когда открыта была только одна щель. Возьмём точку, помеченную буквой X на центральной тёмной полосе. Фотоны легко проходят через любую из щелей и попадают в точку X, когда в один момент открыта только одна из щелей. Может показаться, что при обеих открытых щелях число фотонов, попадающих в точку X, только возрастёт. Но открытие двух щелей даёт парадоксальный эффект: поток фотонов, приходящих в точку X, прекращается. Почему открытие обеих щелей делает менее вероятным для фотона попадание в точку X?

Представьте себе кучку пьяных заключённых, шатающихся по подземелью с двумя дверями, ведущими наружу. Тюремщик внимательно следит за тем, чтобы никогда не оставлять открытой одну дверь, поскольку некоторые узники столь пьяны, что могут случайно найти выход. Но у него нет сомнений относительно отпирания сразу двух дверей. Какая-то загадочная магия мешает пьяницам выйти наружу, когда открыты обе двери. Конечно, с настоящими заключёнными такого не случается, но нечто в этом роде предсказывает иногда квантовая механика не только для фотонов, но и для всех частиц.

Этот эффект кажется странным, если считать, что свет состоит из частиц, но он совершенно естествен для волн. Две волны, расходящиеся из двух щелей, усиливают друг друга в одних точках и гасят — в других. В волновой теории света тёмные полосы возникают в результате взаимного гашения, которое также называют деструктивной интерференцией. Единственная проблема состоит в том, что на самом деле свет иногда ведёт себя как частицы.

Квант в квантовой механике

Электромагнитная волна — это пример колебания. В каждой точке пространства электрическое и магнитное поля вибрируют с частотой, которая зависит от цвета излучения. В природе существует множество других колебаний. Вот некоторые широко известные примеры.

♦ Маятник часов. Маятник совершает полное колебание вперёд и назад примерно за секунду. Частота такого маятника — один герц, или один цикл в секунду.

♦ Груз, подвешенный к потолку на пружине. Если пружина достаточно жёсткая, частота колебаний составит несколько герц.

♦ Вибрация камертона или скрипичной струны. И то и другое может давать несколько сотен герц.

♦ Электрический ток в цепи. Он может осциллировать с гораздо большей частотой.

Системы, способные осциллировать, называются — что, в общем, неудивительно — осцилляторами. Все они обладают энергией, по крайней мере когда осциллируют, и в классической физике эта энергия может иметь любую величину. Я имею в виду, что осциллятор можно плавно накачивать энергией до любого желаемого значения. На графике показано, как растёт энергия осциллятора по мере его накачки.

Но оказывается, что в квантовой механике энергия может поступать только маленькими неделимыми порциями. Если попытаться плавно увеличить энергию осциллятора, результатом будет лестница, а не гладкий пандус. Прибавление может осуществляться лишь порциями, кратными единице, называемой квантом энергии.

Какова величина квантовой единицы? Это зависит от частоты осциллятора. Правило здесь в точности то же самое, что было открыто Планком и Эйнштейном для световых квантов: квант энергии Е — это частота осциллятора f, помноженная на постоянную Планка h:

E=h∙f

У обычных осцилляторов, таких как маятник, частота не очень велика и шаг по высоте (квант энергии) чрезвычайно мал. В этом случае ступенчатый график состоит из таких крошечных шагов, что выглядит как гладкий подъём. Именно поэтому мы не замечаем квантования энергии в повседневной жизни. Однако электромагнитные волны могут иметь достаточно высокие частоты, при которых ступеньки лестницы будут значительно выше. В действительности, как вы могли уже догадаться, увеличение энергии электромагнитной волны на одну ступень — это то же, что добавление одного фотона к пучку света.